CN115225155B - 一种基于阵列结构实现多通道共载频相位编码系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于阵列结构实现多通道共载频相位编码信号系统及方法,适用于基于光子技术的多通道、独立高速相位编码信号产生,以便于分布式光纤传输。该方法涉及微波光子技术领域。系统包括激光器(LD)、双平行偏振复用马赫曾德尔调制器(DP‑DPMZM)、多通道光耦合器(Coupler)、偏振相关相位调制器(DP‑PM)、光偏振片(Pol)、光电探测器(PD)。本方法将本振(LO)信号通过90°电桥输入到DP‑DPMZM上臂中,调节偏置电压实现LO信号的载波抑制一阶边带输出,与下路的正交偏振光载波信号偏振合束,再经过多通道光耦合器分束,分别输入到多个相同的偏振相关相位调制器中,多路独立相位编码序列分别加载到偏振相关相位调制器上,完成对正交偏振态光信号的相位进行调制,最后通过Pol和PD拍频后获得多通道共载频相位编码信号。
Description
技术领域
本发明提出了一种基于阵列结构实现多通道共载频相位编码信号的方法,该方法属于微波光子信号处理领域。
背景技术
随着信息速率的不断提升,现代通信系统要求雷达具有更高的探测距离、速度分辨率和距离分辨率,其中作用距离依赖于信号功率,速度分辨率取决于信号的时间结构,时宽越大,速度分辨率越大,距离分辨率取决于信号的频谱结构,信号带宽越大,距离分辨率越大,若要提高雷达系统这三个性能指标,就要求探测信号同时具有大的带宽和时宽,但由于传统雷达探测信号的时间带宽积为一常数,因此大时宽和大带宽互相矛盾,无法同时满足上述需求。
为了解决这一矛盾提出了脉冲压缩技术,它采用宽脉冲发射以提高时宽和发射功率,获得高速度分辨能力和探测能力,接收时利用脉冲压缩获得窄脉冲,从而获得高的距离分辨率,进而较好的解决了探测距离、速度分辨率和距离分辨率之间的矛盾。对于发射信号的产生,传统电学方法存在电子瓶颈,产生的信号面临低载频、小带宽和调制速率低的问题,与之相比,微波光子技术具有高频段、宽带、低功耗和抗电磁干扰等优点,故采用微波光子技术用于产生发射信号。
基于微波光子技术产生的相位编码信号是脉冲压缩信号的典型波形,然而,当使用相位编码信号对待测目标进行探测时,容易被敌方接收机截获。此外,在使用编码序列对信号进行调制时,如果产生基带调制信号(背景信号),不仅会降低功率效率,而且会限制系统的频率可调范围,从而影响雷达系统的作用距离和距离分辨率。
发明内容
有鉴于此,本发明提出了一种基于阵列结构实现多通道共载频相位编码信号方法。本发明能够产生具有大时宽特点的发射信号,进而获得高速度分辨能力,能够消除背景信号的影响,提升功率效率,此外,还可以有效解决容易被地方拦截的问题,提升抗干扰能力。
一种基于阵列结构实现多通道共载频相位编码信号系统,包括激光器、90°电桥、双平行偏振复用马赫曾德尔调制器DP-DPMZM,其中,激光器用于提供调制器DP-DPMZM的光载波,DP-DPMZM包含两个双平行马赫曾德尔调制器DPMZM(分别命名为X-DPMZM和Y-DPMZM)、一个90°偏振旋转器PR和一个偏振合束器PBC,90°电桥将LO信号分为相位为0和90°的两路,分别输入到上路X-DPMZM的上下臂中,下路Y-DPMZM仅为直流偏置,光载波经过90°PR后与上路X-DPMZM偏振正交信号通过偏振合束器PBC耦合输出,还设置了多通道耦合器Coupler以及用于相位编码和光电转换的阵列结构;所述多通道耦合器Coupler用于将调制器DP-DPMZM输出的耦合后的两路偏振正交信号等功率分为多路信号;所述用于相位编码和光电转换的阵列结构包括多路分支,每路分支的输入对应多通道耦合器Coupler的一路信号,每路分支结构相同,依次包括相位调制器PM、偏振光片Pol和光电探测器PD,所述PM采用基于偏振敏感型铌酸锂材料的相位调制器,PM通过改变编码序列的振幅或模式实现相位调制,每路分支中的PM对输入的耦合信号具有不同的调制效率;耦合信号经过PM后,在两个偏振态上产生不同的相位,经过偏振光片Pol进入光电探测器PD,经过PD检测后形成相位差,最终,用于相位编码和光电转换的阵列结构输出多通道共载频的相位编码信号。
一种基于阵列结构实现多通道共载频相位编码信号方法,包含以下步骤:
步骤1:激光器输出光信号输入到DP-DPMZM中,作为调制器DP-DPMZM的光载波;
步骤2:本振LO信号经过90°电桥后分为两路,相位为0的一路输入到X-DPMZM的上臂中,相位为90°的一路输入到X-DPMZM的下臂中;
步骤3:通过调节X-DPMZM的三个直流偏置电压,使上路X-DPMZM输出信号为载波抑制单边带状态;
步骤4:下路仅为直流偏置,通过调节Y-DPMZM的三个直流偏置电压,使下路Y-DPMZM输出光载波信号与上路输出光信号相位相同,经过90°PR后,光载波信号与上路X-DPMZM单边带信号偏振正交,最终,DP-DPMZM输出经过PBC耦合的偏振正交信号;
步骤5:将DP-DPMZM输出的光信号等功率分为多路信号,每路信号分别依次通过相位调制器、偏振光片Pol、光电探测器PD实现多通道共载频的相位编码信号输出,其中,相位调制的方法为,通过改变驱动相位调制器的电编码序列的振幅或模式实现相位调制。
进一步的,每路相位调制器由不同振幅或模式的编码序列驱动,即可获得多通道共载频的相位编码信号。
进一步的,二相位编码方法为,首先通过放大器将电编码序列的输出振幅调整为相位调制器半波电压的3/2倍,然后,对阵列结构中每路PM采用不同模式的编码序列驱动,即可获得多通道共载频的二相位编码信号。
本发明的有益效果:该发明提出了一种基于阵列结构实现多通道共载频相位编码信号方法。该方法通过改变相位调制器上的编码序列,能够获得分布式共载频相位编码信号。当使用相位编码信号对待测目标进行探测时,在接收端由于匹配滤波器只对特定回波信号起到脉冲压缩作用,因此当友方同时发送多个由不同编码序列编码的共载频微波信号时,能够对实际期望信号起到很好地隐蔽作用,有效降低了敌方接收机截获的概率,有效提升了系统的抗截获能力;在此过程中采用单边带调制方式,有效避免了由于远距离传输导致的周期性功率衰落问题;产生的信号不含有背景信号,因此具有较高的频率调谐范围。
附图说明
图1为实现多通道共载频的相位编码信号链路结构示意图。
图2中的(a)为编码速率为1Gb/s的13位编码序列波形图
图2中的(b)为未经过调制的微波信号波形图
图2中的(c)为获得的相位编码信号波形图
图2中的(d)为从图2中的(c)提取的相位信息
图3为图2中的(c)测得的相位编码信号的自相关结果
具体实施方式
下面结合附图和数学推导对本发明进一步说明:
图1为实现共载频多通道相位独立调制的相位编码信号链路结构,包括激光器、90°电桥、双平行偏振复用马赫曾德尔调制器DP-DPMZM,所述DP-DPMZM通过Y型光分束器分成上下两个支路,然后通过一个偏振合束器PBC将上下两个支路的信号进行耦合,上支路记为X-DPMZM,X-DPMZM包含三个马赫曾德尔调制器MZM,命名为MZM1、MZM2、MZM3,其中MZM3由MZM1和MZM2构成,所述MZM1、MZM2、MZM3的直流偏置电压分别记为VDC1、VDC2和VDC3;下支路包括Y-DPMZM和一个90°PR,Y-DPMZM包含三个马赫曾德尔调制器MZM,命名为MZM4、MZM5、MZM6,其中MZM6由MZM4和MZM5构成,所述MZM4、MZM5、MZM6的直流偏置电压分别记为VDC4、VDC5和VDC6;在Y-DPMZM后紧跟着一个90°PR,偏振合束器PBC位于DP-DPMZM输出端口,用于将两支路偏振正交信号耦合输出,还设置了多通道耦合器Coupler以及用于相位编码和光电转换的阵列结构;所述多通道耦合器Coupler用于将偏振合束器PBC输出的耦合后的两路偏振正交信号等功率分为多路信号;所述用于相位编码和光电转换的阵列结构包括多路分支,每路分支的输入对应多通道耦合器Coupler的一路信号,每路分支结构相同,依次包括相位调制器PM、偏振光片Pol和光电探测器PD,所述PM采用基于偏振敏感型铌酸锂材料的相位调制器,每路分支中的PM对输入的耦合信号具有不同的调制效率;耦合信号经过PM后,在两个偏振态上产生不同的相位,经过偏振光片Pol进入光电探测器PD,经过PD检测后形成相位差,最终,用于相位编码和光电转换的阵列结构输出多通道共载频的相位编码信号。
利用图1所示的实现多通道共载频相位编码信号方法如下:
步骤一:激光器输出光信号,为了便于说明,假设激光器输出的光信号角频率为ω0,振幅为E0,则输出的光信号表达式为
Ein(t)=E0exp(jω0t) (1)
上述光信号作为DP-DPMZM调制器的光载波;该光信号进入DP-DPMZM调制器后,功率等分地进入DP-DPMZM调制器的上下两个正交偏振的DPMZM中,即X-DPMZM和Y-DPMZM。
步骤二:将本振(LO)信号输入到90°电桥中,设ωLO和VLO分别是LO信号的角频率和振幅,则LO信号可表示为:
VLO(t)=VLO cos(ωLOt) (2)
将90°电桥相位为0的输出端口与X-DPMZM的MZM1连接,相位为90°的输出端口与MZM2连接。
步骤三:通过调节X-DPMZM的三个直流偏置电压,使偏置电压VDC1和VDC2工作在最小传输点,偏置电压VDC3工作在正交传输点,此时X-DPMZM输出信号为载波抑制单边带状态,具体展开如下:
X-DPMZM输出表达式为
式中,mLO=πVLO/Vπ是马赫曾德尔调制器MZMi(i=1,2,...,6)的调制深度,Vπ是DP-DPMZM的半波电压,是直流偏置电压VDCi引入的两个MZM之间的相位差,VDCi(i=1,2,3)分别对应X-DPMZM的偏置电压。
利用贝塞尔函数将上式展开,则X-DPMZM输出光场可表示为
式中Jn为第一类n阶贝塞尔函数。通过调节MZM1和MZM2的直流偏置电压,使其工作在最小传输点MZM3工作在正交传输点/>则在小信号调制下,仅考虑二阶以下光边带,X-DPMZM输出光场为:
步骤四:通过调节Y-DPMZM的三个直流偏置电压,使Y-DPMZM输出光载波信号与X-DPMZM输出光信号具有相同的相位,因此调节MZM4的偏置电压使其工作在最小传输点MZM5工作在最大传输点/>MZM6工作在正交传输点/>则Y-DPMZM输出光信号表达式为
其中分别为调节Y-DPMZM的三个直流偏置电压(VDCi(i=4,5,6))在MZM中引入的相位差。
由于Y-DPMZM路中含有90°PR,因此经过PBC偏振耦合后,DP-DPMZM输出表达式为
其中和/>分别表示X和Y偏振态的单位矢量。
步骤五:该偏振复用信号经过多通道耦合器输入到多个相同的偏振敏感型相位调制器中,对于铌酸锂电光相位调制器,不同的偏振态具有不同的调制效率,因此PM输出光信号可表示为
式中,V和b(t)分别表示编码序列的码元振幅和码元模式,Vπ,PM表示相位调制器的半波电压。
步骤六:在每路进行光电检测之前,使用Pol将偏振正交光信号转换到同一偏振方向,Pol输出表达式为
步骤七:假设光电探测器PD响应度为忽略直流成分,则每路输出信号表达式为
通过公式(10)可以看出,改变编码序列的振幅或模式都可以调节获得的微波信号的相位信息,当编码序列振幅时,使用不同的编码模式驱动能够获得具有不同相位信息的多路共载频二相位编码信号,并且该公式不包含基带调制产物(背景信号)。
与图2中的(b)相比可以明显看出,图2中的(c)经过编码序列相位调制后,获得了期望的相位编码信号;图2中的(d)为从图2中的(c)经过希尔伯特变换提取的相位信息,与图2中的(a)具有相同的变化趋势;图3为对图2中的(c)进行自相关计算结果,结果表明产生的相位编码信号具有良好的脉冲压缩性能。
综上所述,本发明实现了多通道共载频相位编码信号。通过改变相位调制器上的编码序列,能够获得分布式共载频相位编码信号,有效提升了系统的抗截获能力;在此过程中采用单边带调制方式,有效避免了由于远距离传输导致的周期性功率衰落问题;产生的信号不含有背景信号,因此具有较高的频率调谐范围。
Claims (3)
1.一种基于阵列结构实现多通道共载频相位编码系统,包括激光器、90°电桥、双平行偏振复用马赫曾德尔调制器DP-DPMZM,其中,激光器用于提供调制器DP-DPMZM的光载波;DP-DPMZM包含两个双平行马赫曾德尔调制器DPMZM、一个90°偏振旋转器PR和一个偏振合束器PBC,其中,两个双平行马赫曾德尔调制器DPMZM90°分别命名为X-DPMZM和Y-DPMZM,X-DPMZM包括上下臂;90°电桥将LO信号分为相位为0和90°的两路,分别输入到上路X-DPMZM的上下臂中,下路Y-DPMZM仅为直流偏置,光载波经过90°PR后与上路X-DPMZM偏振正交信号通过偏振合束器PBC耦合输出,其特征在于:还设置了多通道耦合器Coupler以及用于相位编码和光电转换的阵列结构;所述多通道耦合器Coupler用于将调制器DP-DPMZM输出的耦合后的两路偏振正交信号等功率分为多路信号;所述用于相位编码和光电转换的阵列结构包括多路分支,每路分支的输入对应多通道耦合器Coupler的一路信号,每路分支结构相同,依次包括相位调制器PM、偏振光片Pol和光电探测器PD,所述PM采用基于偏振敏感型铌酸锂材料的相位调制器,PM通过改变编码序列的振幅或模式实现相位调制,每路相位调制器由不同振幅或模式的编码序列驱动,即可获得多通道共载频的相位编码信号,每路分支中的PM对输入的耦合信号具有不同的调制效率;耦合信号经过PM后,在两个偏振态上产生不同的相位,经过偏振光片Pol进入光电探测器PD,经过PD检测后形成相位差,最终,用于相位编码和光电转换的阵列结构输出多通道共载频的相位编码信号。
2.一种基于阵列结构实现多通道共载频相位编码方法,其特征在于包含以下步骤:
步骤1:激光器输出光信号输入到DP-DPMZM中,作为调制器DP-DPMZM的光载波;
步骤2:本振LO信号经过90°电桥后分为两路,相位为0的一路输入到X-DPMZM的上臂中,相位为90°的一路输入到X-DPMZM的下臂中;
步骤3:通过调节X-DPMZM的三个直流偏置电压,使上路X-DPMZM输出信号为载波抑制单边带状态;
步骤4:下路仅为直流偏置,通过调节Y-DPMZM的三个直流偏置电压,使下路Y-DPMZM输出光载波信号与上路X-DPMZM输出光信号相位相同,Y-DPMZM输出光载波信号经过90°PR后,与上路X-DPMZM单边带信号偏振正交,最终,DP-DPMZM输出经过PBC耦合的偏振正交信号;
步骤5:将DP-DPMZM输出的光信号等功率分为多路信号,每路信号分别依次通过相位调制器、偏振光片Pol、光电探测器PD实现多通道共载频的相位编码信号输出,其中,每路相位调制器由不同振幅或模式的编码序列驱动,即可获得多通道共载频的相位编码信号,相位调制的方法为,通过改变驱动相位调制器的电编码序列的振幅或模式实现相位调制。
3.根据权利要求2所述的一种基于阵列结构实现多通道共载频相位编码方法,其特征在于:二相位编码方法为,首先通过放大器将电编码序列的输出振幅调整为相位调制器半波电压的3/2倍,然后,对阵列结构中每路PM采用不同模式的编码序列驱动,即可获得多通道共载频的二相位编码信号。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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